步行中髋关节运动辅助的人机交流协调控制方法

引入生物控制理论改善步行辅助中人机交互柔顺性和多关节协调自律控制的问题,探索一种以中枢模式发生器(Central pattern generator,CPG)网络为核心的、具有"对外交流、对内抑制"双重机制的人机交流协调控制方法。建立左右髋关节独立CPG单元及其对外交流机制,充分保障左右髋关节处的人机运动交流;建立CPG单元间的内部抑制机制维持髋关节间的逆相位,确保复杂多变的人机交互环境下稳定的步行辅助。穿戴式步行试验证明了该方法的有效性。     

穿戴式机器人髋膝关节协调自律控制方法

针对步行辅助中人机交互柔顺性和髋膝关节协调自律控制的问题,提出一种新型多关节协调自律控制方法,该方法基于中枢模式发生器（Central pattern generator,CPG）网络,同时具备单关节人机交流和多关节协调运动特性。建立左右侧髋、膝关节4个CPG单元及其对外交流机制,改善了各关节处的人机交互柔顺性;建立左右髋关节、左右膝关节CPG单元间的对称抑制连接及同侧髋膝关节CPG单元间的非对称内部抑制连接,获得双侧髋膝关节间的逆相位及同侧髋膝关节的自然相位,实现了人机交互环境下稳定的步行辅助。穿戴式步行试验证明了该方法对生成步行中自然髋、膝关节协调运动的有效性。最后,采用肌肉活动强度、步长和步行速度三个指标,运用对比试验的方法讨论和分析了步行辅助效果。     

柔性多关节移动机器人末端残余振动控制研究

针对目前柔性多关节移动机器人末端残余振动控制方法控制跟踪误差大,控制柔顺性差问题,提出一种新的控制方法.通过简化概念模型分析柔性关节,利用确定弹性势能、机械动力、运行轨迹建立柔性多关节移动机器人末端动力学模型.分析信号与关节点之间角度,确定柔性多关节移动机器人末端运动误差,建立误差模型,利用DETMAX算法分析运动参数,实现最小姿态选取,利用运动参数,实现振动控制.研究结果表明,引入运动学参数后,在控制机器人运动过程中会考虑阻抗能力和柔顺性能,机器人以线性系统的方式运行,各关节运动都得以优化,末端残余振动受到有效抑制,跟踪误差得到有效减小,移动机器人关节柔性更好.     

CPG机理的双足机器人运动轨迹生成与分析

目的在对中枢模式发生器(CPG)机理分析的基础上,生成关节运动轨迹,实现对双足机器人运动步态的控制。方法根据位姿矩阵实现对踝关节末端轨迹跟踪,整定CPG模型相位参数,利用节律信号输出叠加生成运动轨迹。通过联合仿真实验,对所规划的步态进行合理性、自稳定性和自适应性分析。结果生成的运动轨迹能够实现对双足机器人的行走步态控制。结论基于CPG生成的步态能够提高机器人的运动性能,具有更强的对复杂环境的适应性。生成的运动轨迹能够为双足机器人步态规划提供借鉴意义。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

基于循环抑制CPG模型的蛇形机器人控制器

依据生物利用中央模式发生器(Central pattern generator,CPG)的自激行为产生有节律的协调运动适应多种环境,基于循环抑制CPG建模理论设计了蛇形机器人CPG控制器模型,分析了单个神经元、循环抑制CPG以及该控制器模型的稳定性,并把该控制器应用到一个结合蛇形机器人“勘查者-Ⅰ”动力学特性的仿真模型,得到了实现蜿蜒运动的CPG控制器参数,进而研究了调节S波个数、身体构形曲率、蜿蜒运动速度以及运动轨迹曲率的CPG控制器参数设定策略。此外,“勘查者-Ⅰ”应用该CPG控制器的输出成功实现了蜿蜒运动。该研究结果为设计人工CPG控制器提供了一个可行的方法。     

柔顺并联机器人动力学及轨迹跟踪

以含有开槽型柔顺关节的并联机器人为研究对象,对其动力学及轨迹跟踪问题进行研究。根据柔顺关节特性,建立系统分析模型,应用拉格朗日方法建立系统动力学方程。为补偿系统具有的不确定性,分别设计趋近律上界滑模控制策略和径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络趋近律滑模控制策略,基于Lyapunov理论证明了系统的全局稳定性。应用S型速度规划曲线,分别给出直线轨迹和圆轨迹的运动规划算法。仿真结果表明,系统模型及控制策略能够有效实现柔顺关节并联机器人的轨迹跟踪。     

柔顺并联机器人运动规划

以柔顺关节并联机器人系统为研究对象,对其运动规划问题进行研究。根据柔顺关节特性,建立系统分析模型,基于拉格朗日方法建立系统动力学方程。为保证系统平稳运行,抑制惯性力的变化速度,应用梯形和S型速度规划方法进行运动规划,并给出了直线轨迹和圆轨迹的运动规划算法。仿真试验结果验证了运动规划方法的有效性。     

滚动接触柔性连续体机器人的设计与运动能力分析

针对航空原位检修领域对机器人在复杂、狭小空间的作业需求,基于滚动接触原理设计了一种新型的柔性连续体机器人,解决了连续体机器人轴向刚度需求与运动柔顺性之间的矛盾。对连续体机器人单元柔性关节和整体系统进行了详细分析,根据机器人的冗余自由度特点设计了主动运动与被动运动两种运动策略。对机器人单元关节的力学仿真结果表明,该柔性关节转动刚度适宜,轴向刚度较大。机器人长600 mm,最大弯曲角度大于360°,最小弯曲半径40 mm;实验结果表明该机器人运动柔顺,具备良好的环境自适应能力。     

绳索驱动式变刚度关节柔顺控制与力补偿方法研究

机器人柔顺运动有助于提高机器人交互运动时的安全性与稳定性,越来越受到人们的重视。针对一种绳索驱动式具有主被动柔顺性的柔性机器人关节,提出一种适用于绳索驱动式变刚度关节的刚度与位置解耦控制方式,实现了关节位置控制的同时,又实现了关节柔顺性的统一。利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,并通过优化方法对变刚度装置的力学模型和刚度模型构成的非线性方程组求解,实现变刚度关节刚度与位置的非线性解耦。在解耦控制基础上提出一种力矩观测方法,实现了关节力矩补偿,增强了关节位置控制能力;建立了绳索驱动式变刚度关节样机和控制系统,并通过仿真和实验分析的方式验证了所提柔顺控制方式的可行性和有效性。     

软质肘关节外骨骼的肌力矩估计与神经网络补偿协调控制

为辅助偏瘫患者进行多模式肘关节康复训练,研制了一种软质肘关节康复外骨骼机器人,并提出了一种基于人体肌力矩估计与自适应神经网络补偿的协调控制策略。利用表面肌电信号来识别人体的运动意图并调整康复训练轨迹,采用Lyapunov方法证明了控制算法的闭环控制稳定性。搭建了实时控制实验平台,并开展了基于运动意图的轨迹跟踪实验与自由主动训练实验。实验结果表明,所提控制策略能保证被动训练过程的轨迹跟踪精度,并且可以根据患者的运动意图调整主动训练过程的运动轨迹,实现不同强度的主动康复训练。     

基于主动试探的微小型爬壁机器人步态控制

针对欠平滑壁面上微小型爬壁机器人吸盘足吸附失败后的自主行为控制问题,根据机器人的结构设计及运动步态特点,提出基于主动试探的机器人吸盘足着地点自主选择步态控制方法。分析机器人的三种运动模式,以及直线运动和转向运动的基本步态。定义机器人的状态矢量,建立机器人吸盘足的有限状态机模型和状态转移图,并按“就近”原则设定状态转移函数的优先级。以上述研究为基础,提出在缺少壁面环境信息条件下的机器人步态控制主动试探方法。对步态控制方法进行仿真分析,并在实验室模拟环境和实际的飞机外表面环境进行试验验证,结果表明,所提出方法对于改善机器人的控制性能和提高机器人的自主能力是可行和有效的。     

增强现实辅助的互认知人机安全交互系统

在现代制造业中,人和机器人的交互共融是制造智能化的焦点问题之一。在人机交互中,机器人对工人的伤害风险是影响安全生产的关键因素。然而,在动态、不确定性的人机交互环境中,目前的人机安全交互系统仍然是基于机器人对环境的感知实现被动避让,缺乏基于互认知的自适应决策。为提高人对环境的认知能力,并增强机器人的自主避让和自适应能力,设计并实现了一种基于可穿戴增强现实技术的互认知人机安全交互系统。其中,可穿戴增强现实设备作为人机交互的媒介,实现机器人的虚实注册和工作环境的虚拟映射,收集人、机器人和作业空间的信息,实时为操作人员和机器人提供互认知辅助。互认知人机安全交互系统从三个方面确保人机安全：根据人机距离的机器人速度控制和安全区域可视化;虚实映射的运动预览和碰撞检测;基于深度强化学习的机器人避障策略。最后,通过搭建原型系统验证了所提出系统设计方法的可行性,以期促进先进人工智能技术与人机交互技术的融合发展,实现人机共融、安全协作。     

基于手眼协调机器人的共享控制遥操作系统

提出了一种基于机器人手眼协调的共享控制遥操作系统框架.基于双目视差和主动轮廓构建机器人自主手眼协调系统,并将这种手眼协调机器人作为遥机器人构成一个半自主、共享式的遥操作系统.为了将人和机器人的各自的长处充分的融合到系统中,开发了相应的自然图像用户界面和遥自主命令程序模块用于人和自主机器人之间的交互.实验表明提出的这种基于手眼协调的共享控制遥操作系统具有高操作效率和对操作者友好等优点.     

Flexible Bio-tensegrity Manipulator with Multi-degree of Freedom and Variable Structure

Conventional manipulators with rigid structures and sti ness actuators have poor flexibility, limited obstacle avoidance capability, and constrained workspace. Some developed flexible or soft manipulators in recent years have the characteristics of infinite degrees of freedom, high flexibility, environmental adaptability, and extended manipulation capability. However, these existing manipulators still cannot achieve the shrinking motion and independent control of specified segments like the animals, which hinders their applications. In this paper, a flexible bio-tensegrity manipulator, inspired by the longitudinal and transversal muscles of octopus tentacles, was proposed to mimic the shrinking behavior and achieve the variable motion patterns of each segment. Such proposed manipulator uses the elastic spring as the backbone, which is driven by four cables and has one variable structure mechanism in each segment to achieve the independent control of each segment. The variable structure mechanism innovatively contains seven lock-release states to independently control the bending and shrinking motion of each segment. After the kinematic modeling and analysis, one prototype of such bionic flexible manipulator was built and the open-loop control method was proposed. Some proof-of-concept experiments, including the shrinking motion, bending motion, and variable structure motion, were carried out by controlling the length of four cables and changing the lock-release states of the variable structure mechanism, which validate the feasibility and validity of our proposed prototype. Meanwhile, the experimental results show the flexible manipulator can accomplish the bending and shrinking motion with the relative error less than 6.8% through the simple independent control of each segment using the variable structure mechanism. This proposed manipulator has the features of controllable degree-of-freedom in each segment, which extend their environmental adaptability, and manipulation capability.     

5R柔性并联机器人系统运动微分方程

为了描述平面5R柔性并联机器人的运动学和动力学特性,需要建立机器人的运动微分方程。针对刚性活动平台和柔性杆件的运动学耦合特点,改进了一套适用于刚体、柔性体耦合的有限元建模方法,推导出单元弹性广义坐标相对于系统弹性广义坐标的转换矩阵,综合考虑了科氏阻尼、离心刚度和几何非线性的影响,利用运动弹性动力学理论,建立了平面5R柔性并联机器人的运动微分方程,避免了采用运动学和动力学约束方程的弊端,提高了建模精度。计算实例表明,该方程反映了机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人的运动误差具有重要影响。     

基于3-RSR并联机构的蛇形机器人本体构型设计与运动性能研究

蛇形机器人作为仿生机器人的重要分支,身形柔软轻小,运动灵活多变,具备很强的环境适应能力,在军事侦察、地质勘探、灾难救援等领域拥有非常广阔的发展前景。创新性地将并联机构、折纸机构和柔性铰链相结合,设计出一种灵活度高、结构紧凑的模块化蛇形机器人单元,并从数学模型、旋量分析等角度进行合理论证。自主完成硬件电路搭建、控制算法编写,设计蛇形机器人控制系统实现多路直流减速电机协同,并进行仿蛇运动的步态规划。加工制作蛇形机器人样机并完成了特定环境下机器人性能测试。